發育的遺傳學分析第1頁/共28頁16.1遺傳與發育的關系

16.1.1什么是發育遺傳學發育遺傳學是將胚胎學與遺傳學相結合起來的一門學科，主要是研究基因對胚胎發育的作用。現在所說的發育已包括研究胚胎和以后的發育過程。隨著基因組學的發展，人們可以從細胞分化、器官發生和形態建成等不同層次上闡明生物體發育的遺傳基礎。第2頁/共28頁16.1.2遺傳與發育在細胞水平上的統一發育是通過細胞分化來實現的。分化是產生基因型相同但形態和功能趨異的各種類型細胞的一個變化過程。分化產生了細胞的多樣性，構成了形態建成和生長的基礎，并保證了生命的世代延續。第3頁/共28頁單細胞生物也有分化和發育過程，只是比較簡單。多細胞生物的特化和發育過程要復雜得多。合子形成后，分離并分化產生了許多種類型的細胞。在出現真正的形態功能的分化之前，細胞將分化成什么類型，具有什么功能就已經被“指定”（commitment）。

“指定”可以分成兩個階段：特化（specification）和決定（determination）。第4頁/共28頁所謂“特化”是指細胞或組織在一個中性環境中，例如，在一個周圍沒有其他細胞或組織影響的體外培養環境中，仍按原先被指定的命運自主地進行分化。所謂“決定”則是指細胞或組織即使處在胚胎的另一區域，仍不受周圍其他細胞或組織的影響，按原先指定的命運自主的進行分化。決定意味這原先指定的發育命運是不可改變的。細胞的命運通常是通過下列3種途徑被指定：自主特化，條件特化，合胞特化。第5頁/共28頁三種指定方式：（一）自主特化大部分無脊椎動物的特性（二）條件特化所有脊椎動物和少數無脊椎動物的特性（三）合胞特化昆蟲綱的無脊椎動物的特性。第6頁/共28頁16.1.3早期胚胎發育一、受精生物的雌雄配子（精子和卵）通過受精成為合子（受精卵）。在受精以前已完成減數分裂的稱為卵子。未受精的卵細胞稱為卵母細胞。精子和卵子結合成為受精卵，這一過程稱為受精。第7頁/共28頁二、卵裂受精卵形成后即不斷分裂成較小的細胞，這個過程稱為卵裂。第一次卵裂和第二次卵裂都是縱向分裂，但兩者的分裂面相互呈直角，把受精卵垂直分裂成4個體積相同的卵裂球。第三次分裂則是橫向分裂，是不均等的水平分裂，分成的8個卵裂球中，上面的4個體積小，下面的4個體積大，含有大量的卵黃（yolk）顆粒。第8頁/共28頁三、胚層分化胚泡中分化出現與滋養層細胞完全不同的內細胞團，這是哺乳動物早期發育過程中的關鍵過程。在8個卵裂球期，每個卵裂球在生化、形態和發育潛能上都沒有差別，也就是在發育上是全能的。處在外層的細胞生成滋養層，二處在內層的細胞則生成內細胞團而產生胚胎。精子來源的基因可能是絨毛膜正常發育所需，而卵來源的基因，則為胎兒發育本身所必需。在胚胎發育過程中，各種類型的細胞沿著前-后軸和背-腹軸特化，進一步生成各種組織和器官，軸的特化過程是基因作用的結果。第9頁/共28頁

細胞程序性死亡多細胞生物體的一些細胞當不再為生物體所需時，或是已受到損傷時，會激活受遺傳控制的自殺機構而自我毀滅，出現所謂的細胞程序性死亡（programmedcelldeath，PCD）。細胞程序性死亡通常采取細胞凋亡（apoptosis）的形式。細胞凋亡并非全是細胞程序性死亡。2、細胞程序性死亡的形式（1）細胞凋亡（2）其他類型1、細胞程序性死亡的概念第10頁/共28頁

細胞程序性死亡是生物進化過程中，在自然選擇壓力下形成的有利于生物體生存的一種機制。（一）在個體發育過程中，細胞程序性死亡使細胞保持一定的數量和處在正確的位置上。（二）細胞程序性死亡也是一種細胞的利他性死亡（altruisticcelldeath）。局部的、個別的死亡有利于整體的或群體的存活。第11頁/共28頁細胞凋亡的外文apoptosis是希臘字，原意是花瓣凋落。細胞凋亡是細胞的生理性死亡，與病理性死亡——細胞壞死（necrosis）是有區別的。細胞凋亡時的形態特征時細胞變成圓球狀，細胞外膜鼓起形成腔泡，細胞核膜和細胞的一些內部結構破裂，細胞核內的染色體DNA被酶切成斷片；當細胞破裂成碎片前細胞膜不破裂，因此細胞內含物不泄漏出來，不引起炎癥反應；細胞碎片被周圍的活細胞吞噬，而不是被專職的巨噬細胞所清除。細胞壞死則是細胞受到急性損傷而出現的壞死，表現為細胞脹大，裂解，釋放出大量的內含物，引起炎癥，壞死細胞最終被巨噬細胞清除。第12頁/共28頁目前，鑒定細胞凋亡的最常用的分子生物學方法是抽提細胞的DNA，經瓊脂糖凝膠電泳，如出現一系列長度不等的DNA片段的電泳條帶(因為:細胞核內的染色體DNA被酶切成斷片)，則可初步判定該細胞為凋亡的細胞。第13頁/共28頁細胞凋亡或細胞程序性死亡在生物發育過程中起重要作用，因此，當調控細胞凋亡的有關基因發生突變而打亂細胞死亡的程序時，就會出現異常情況，使本應死亡的細胞不進入死亡，正常情況下不進入死亡的細胞卻發生死亡。這樣就會造成發育異常或引起腫瘤等疾病。所以，細胞凋亡或細胞程序性死亡也與醫學密切相關。第14頁/共28頁當地時間2002年10月7日，瑞典卡羅林斯卡醫學院諾貝爾獎評審委員會將2002年諾貝爾生理學或醫學獎授予了悉尼·布雷內、羅伯特·霍維茨和約翰·蘇爾斯頓等三位科學家，以表彰他們在“細胞程序性死亡”這一領域中的開創性工作。他們不但發現在生物的器官發育過程中存在細胞程序性死亡，而且闡明了細胞程序性死亡過程中的基因規律。

第15頁/共28頁布雷內慧眼識線蟲

20世紀60年代末，英國科學家悉尼·布雷內希望能找到一種適于基因水平研究，并能確定完整的神經系統的實驗生物模型。最終布雷內選擇了一種較為簡單的生物——秀麗隱桿線蟲（Caenorhabditiselegans，C.elegans）。

第16頁/共28頁秀麗隱桿線蟲非常適合用作基因分析，除了顯而易見的體形小、生長周期快等優點外，還因為它是一種可以自我繁殖的雌雄同體生物，非常有利于得到具有同一基因結構的純合體線蟲。另外，秀麗隱桿線蟲還存在一種雄性個體，它不能自我繁殖，必須與雌雄同體的線蟲交配才可繁衍后代。利用雄性個體，人們可以將突變基因從一種線蟲轉移到另一種線蟲中去。

第17頁/共28頁事實上，利用線蟲的形體和運動特征以及協調性缺乏等突變特征，布雷內建立了最為豐富的突變體線蟲株，并將線蟲形體、行為的改變與染色體上的突變位點——對應起來。這就使得基因分析能夠和細胞的分裂、分化以及器官的發育聯系起來，為后來人們發現細胞凋亡及其機制奠定了基礎。

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蘇爾斯頓提出“細胞程序性死亡”

秀麗隱桿線蟲非常小而且是透明的，成年的雌雄同體線蟲總共才959個細胞，這就便于研究人員通過顯微鏡觀察活的完整線蟲的內部構造，并且能直接觀察線蟲發育過程中單個細胞的遷移、分裂以及死亡，從而使人們能了解線蟲發育過程中各個細胞的命運。英國科學家約翰·蘇爾斯頓和美國科學家羅伯特·霍維茨就是利用這種手段．通過艱苦的工作，確定了線蟲發育過程中每一個細胞的分裂和分化及其最終的命運。

第19頁/共28頁科學家們發現，在脊椎動物和非脊椎動物的正常發育過程中都存在細胞正常死亡的現象，這些細胞的死亡都伴隨著一系列的形態改變，不對周邊細胞產生影響。蘇爾斯頓將這些細胞死亡解釋為“細胞程序性死亡”，并且仔細地描述了在這一過程中細胞經歷的變化。

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在雌雄同體的秀麗隱桿線蟲發育過程中，有131個細胞發生了凋亡。蘇爾斯頓發現線蟲中這種不同尋常的細胞死亡后，和其他科學家對其機制展開了深入的研究。他們利用布雷內建立的突變的線蟲株，發現并分離了一系列影響細胞凋亡的基因，包括ced-1、ced-2和nuc-1，提出生物發育過程中細胞的凋亡是由一系列基因控制的。創造性的毀滅——細胞凋亡

第21頁/共28頁(二)霍維茨等人確認“死亡基因”

1986年，羅伯特·霍維茨及其學生發現了線蟲中在細胞凋亡過程中起關鍵作用的兩種基因：ced-3和ced-4。這兩種基因的缺失將改變細胞的命運，使線蟲中原本正常情況下會死亡的細胞存活并繼續分化下去。同時，對于早先發現的在細胞凋亡中起作用的基因，他們也弄清楚了它們所起的確切作用。

2002年生理和醫學獎授予了線蟲生物學的開拓者：西德尼·布雷納（SydneyBrenner）、約翰·薩爾斯頓（JohnSulston）和線蟲凋亡之父羅伯特·霍維茨（RobertHorvitz）。

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在知道了控制線蟲細胞凋亡的關鍵性基因后，霍維茨的一位中國學生于1993年克隆了ced-3基因，并且發現該基因表達的蛋白質與哺乳動物中的一種酶非常相似。隨后的研究發現，該酶與細胞凋亡相關，這表明在哺乳動物中也存在引起細胞凋亡的基因及其表達。

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研究新成就及研究的意義

現在，隨著對細胞凋亡機制研究的深入，科學家們發現很多細胞內和細胞外信號都可以啟動細胞的凋亡。目前，科學家們發現與細胞凋亡相關的基因有三類：促進細胞死亡的基因、抑制細胞死亡的基因和在細胞死亡過程中表達的基因。

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細胞凋亡的發現以及對細胞凋亡發生機制的研究，為科學開拓出一個神奇的新領域，意義非常深遠。

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首先，它加深了人類對于生命的認識。在生物體內，有些細胞將犧牲自己以便于機體自身的維持與更新，可以說，細胞凋亡廣泛存在于各種生物體內。同時，細胞凋亡也存在于生物發育的各個階段。蝌蚪在變態期，尾部細胞將發生凋亡，從而使其能轉變成正常的成體蛙。從另外一個角度說，細胞凋亡是一種積極而主動的“創造性的毀滅”過程。譬如，在生物體的正常新陳代謝過程中，細胞的凋亡有助于消除體內衰老的細胞，維持組織器官的形體大小，